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项目名称:蠕虫机器人
组别:初中组 奖项:一等奖
代表团:吉林省 参赛队:吉林大学附属中学
队员:张铭洋 邵禹睿 教练员:任玉莲 唐杰
项目摘要:

  蠕虫式机器人采用了仿生学的原理,以多足节肢动物为原型,同时融合了软体蠕虫的动作。机器人设计成多节多足的形式(本实例样机是三节六足,可扩展),机械结构能够实现腕足的松开、卡紧,躯体伸缩等操作,能够模拟蠕虫的行进动作。   蠕虫式机器人可以实现其它常规机器人所不能够实现的功能,例如爬树、走独木桥、踩钢丝等特殊的场合工作。 同时机器人加装了简单执行任务装置,可以实现无线视频信号的传输,可以实现无线遥控等功能。

专家评语:

该创意设计作品以社区中特殊场合下,各类设备维修或维护为目的,利用仿生学原理,设计了一具有多功能的蠕虫机器人,设计的思路新颖,构思精巧,具有多点创新,整个设计运行可靠,制作精良,解决方案可行,运行稳定。现场操作娴熟,机器人演示过程完整,陈述清晰,问辩回答正确,机器人运行的效果较好。整个作品的申报资源完成,图表规范,表达清晰正确,团队分工明确,团结协作,是一较具创意的好作品。

演示视频

演示图片

设计目标

  选题来源于三则新闻,一个是吉林市江边树上风筝断线缠住野鸭,众人相救面对大树无计可施;另一个是风筝挂路边电线杆,路过的摩托驾驶员惨遭断线割喉。还有一个是前些年南方冻雨出现后,高电压线的除冰任务。如果能够设计一种机器人可以在树上攀爬,并且能够完成取物、清理、远程监控等作业,将会有实际的意义。 近年来,各种各样的机器人都被开发出来,足式的、轮式的、履带式、旋翼式的等等,可以在各种地形上行走,在天上飞,甚至在管道爬行,但是像蠕虫一样能在树上、柱子上、墙头上行走的机器人却很少见。   我们设计的蠕虫式机器人的目标是:能够实现在柱形物体上攀爬的功能,完成其它常规机器人所不能完成的工作。 本届机器人创意竞赛的主题是社区志愿者,蠕虫式机器人在社区中也有广泛的应用,例如:树上取物、修剪树枝,高层住户通过窗台运送物品,移动式的特殊区域监视监控、防火防盗等诸多功能。

研制过程

  从仿生学的角度入手,主要实现两个动作:一个是躯体的伸缩、一个是腕足的松开卡紧。机器人设计成多足多节的形状,刚启动时,躯体处于收缩状态,各腕足处于卡紧状态,行走时,第一节腕足松开,第一节躯体伸长,然后第一节腕足再卡紧,此时完成第一节的移动,然后第二节腕足松开,第二节躯体移动,然后第二节腕足卡紧,此时完成第二节的移动,以此方式逐节运动,循环反复就可以实现蠕虫式爬行运动。机器人动作元件主要采用舵机,机构和控制都很方便实现。控制系统采用Arduino控制器,C语言编程。主体材料采用10mm厚度的PVC板,重量轻、强度高、便于加工,采用壁纸刀进行大块的裁剪,画线之后在微型数控铣床上进行切割,由于我们暂时还不掌握数控自动加工的技术,所以我们采用手动控制方式进行切割,最后用锉刀进行打磨修整。连接杆和伸缩套管等采用碳纤维杆,还用到弹簧、皮筋等。连接固定采用微型手电钻打孔,M3的螺丝固定。粘接剂有502、AB胶等根据不同情况综合使用。 在实现基本动作之后,我们安装了无线摄像头和遥控装置。

科学性、创新性、实用性

  蠕虫式机器人融合了仿生学、控制学、材料学等多学科知识的。在机械结构上主要采用了杠杆原理,把舵机的轴向运动转化成腕足的松开卡紧动作,躯体伸缩则采用了柄连杆机构。 采用Arduino单片机控制系统来控制舵机的动作,该控制器功能强大,价格便宜,编程简单。无线遥控采用蓝牙串行通讯模块,可实现10米左右的无线遥控机器人动作(前进、后退等)。机器人加装了最先进的无线网络视频传输装置。可以在WIFI或3G网络信号覆盖区域内传输影像信息,可直接在智能手机或笔记本电脑上进行远程监控。

进一步提高的设想

  目前主要问题就是电源,由于全手工制作,体积过大,为了增加舵机输出力距,选用13G的舵机,每个舵机输出电流500mA,一般的电池不能够保障足够的功率供应。所以目前该产品仅仅可以实现实验功能,还不能在实际应用中形成具有竞争力的产品。改进的方案是重新设计运动机构,选用铝合金材质进行数控自动加工,缩小体积,缩小重量,选用9G小型舵机,采用聚合物锂电池,更具有实用性。 目前的机构结构仅能实现前进、后退、传送无线视频等简单的基本动作,在地势发生变化的情况下可以实现被动的顺势转向,还不能实现主动分支转向,我们下一步会继续深入研究机械结构与控制系统,使得它具备遇见树干分支选择转向的功能。